汽車(chē) OEM 和一級供應商正在努力滿(mǎn)足這些不斷提高的要求，同時(shí)推動(dòng)安全功能成本的下降，以達到消費者樂(lè )于接受的價(jià)位，增強各自的競爭優(yōu)勢，同時(shí)加快整體的市場(chǎng)接受度。在汽車(chē)傳感器級別上，必須充分考慮攝像頭、雷達、激光雷達技術(shù)的相對優(yōu)勢和劣勢，謹慎的在它們之間達到性?xún)r(jià)比平衡。 

 

這三種技術(shù)都展示了它們對汽車(chē)安全應用的獨特價(jià)值，但其中沒(méi)有任何一種技術(shù)能夠獨自全面地實(shí)現自動(dòng)駕駛或高級駕駛輔助系統(ADAS)功能。但是如果涉及到成本，那么激光雷達傳感器的成本仍然是非常高昂的，只有在 L4 和 L5 級別的汽車(chē)上，這種技術(shù)對于履行必要法律責任和達到最低保險條件才變得不可或缺。除了降低車(chē)載激光和光學(xué)系統的成本之 外，機械旋轉式的 LiDAR 系統還需要不斷演進(jìn)，消除因移動(dòng)組件導致的可靠性難題。 

 

在可以預見(jiàn)到的未來(lái)，雷達和攝像頭傳感器將是汽車(chē)安全應用的理想組合，其具有經(jīng)濟性、可靠性和組合功能，幫助打造更安全、更智能的下一代汽車(chē)。雖然攝像頭傳感器對于目標識別和分類(lèi)至關(guān)重要，但其缺陷是低光照和惡劣天氣會(huì )限制它們的效率，而雷達傳感器不會(huì )受到這些因素的影響，可以提供高精度的汽車(chē)周?chē)矬w的相對距離和速度信息，這是攝像頭傳感器所無(wú)法做到的。

 

 

圖 2，當今自動(dòng)駕駛系統的傳感器功能

 

攝像頭和雷達傳感器在處理器層面有一點(diǎn)類(lèi)似之處：它們都會(huì )產(chǎn)生很大的計算工作負載。隨著(zhù)像素大小縮減，像素密度增加，攝像頭的圖像分辨率可以不斷提高。但是，要提高雷達傳感器的分辨率，對底層處理平臺的需求將呈現指數級增長(cháng)。

 

在本文中，我們將評估一些推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)持續創(chuàng )新的技術(shù)趨勢、挑戰和機遇，以及高級汽車(chē)安全功能對高分辨率雷達日益增加的依賴(lài)性。

 

圖 3，雷達場(chǎng)景

 

高分辨率雷達的高速處理

 

隨著(zhù) 24 GHz 頻段變得越來(lái)越擁擠，監管機構在逐步淘汰用于該頻段的汽車(chē)雷達，同時(shí)開(kāi)放了毫米波(mmW) 77GH 頻段 (76-81GHz)以供汽車(chē)雷達使用，充分發(fā)揮調頻連續波(FMCW)雷達的作用。這對于可用頻率的擴展實(shí)現了多達 5GHz 的掃頻帶寬，而以前的 24GHz 窄帶雷達的帶寬僅限 200MHz，兩者在可用頻率帶寬上存在很大差異。

 

這一變化使得距離分辨率提高了 25 倍，距離分辨率決定了物體之間相隔多遠才能被辨別為不同的目標，在有緊密聚集的鄰近目標的環(huán)境下，可以實(shí)現更好的檢測和跟蹤功能。要基于已知運動(dòng)模式和兩個(gè)“目標”類(lèi)別的屬性來(lái)實(shí)現更高階的自動(dòng)決策，能夠辨別多個(gè)目標（例如汽車(chē)和行人）的能力顯得至關(guān)重要。

 

汽車(chē)雷達是經(jīng)過(guò)整體優(yōu)化來(lái)計算距離、速度 / 多普勒效應、水平波達角和俯仰角等參數。如果底層處理平臺性能和 / 或存儲器受到限制，為了讓雷達以更高的分辨率來(lái)測量其中某個(gè)參數，那就需要在其他參數方面做出犧牲。

 

雷達功能

測量

與被測目標的距離

相對徑向速度

水平波達角

雷達截面積(被測目標尺寸)

 

 

圖 4，雷達功能

 

汽車(chē)供應商堅定不移地致力于提高雷達分辨率。但是，在多個(gè)參數之間進(jìn)行權衡仍然是一個(gè)嚴峻挑戰，特別是在角度分辨率方面，它是辨別相鄰車(chē)道汽車(chē)的一項關(guān)鍵指標，也是自適應巡航控制(ACC)和自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)應用中不可或缺的功能。要能夠在大型目標周?chē)鷻z測和分辨出鄰近的行人，這會(huì )對傳感器的水平分辨率有很高的要求。

 

此外，高分辨雷達能夠精確地測量隧道、橋梁和標志桿，以及給汽車(chē)留出相應的凈空余地，同時(shí)這種能力也可以用于檢測道路上的小型障礙物。這種新功能對俯仰角檢測的分辨率提出了更嚴格的要求，需要具有真正 2D 角度測量功能(水平方向角和俯仰角)的傳感器。

 

制造商可以利用多入多出(MIMO)技術(shù)實(shí)現這個(gè)目標。在這種技術(shù)中，N 個(gè)物理發(fā)射天線(xiàn)和 M 個(gè)物理接收天線(xiàn)形成 N x M 虛擬接收天線(xiàn)陣。這種方法的優(yōu)勢是不會(huì )給系統增加過(guò)多的額外成本，但在角度分辨率方面實(shí)現了顯著(zhù)改進(jìn)，同時(shí)盡可能地減少發(fā)射雷達的啁啾序列的數量。由于啁啾序列減少，就可以加快掃描速度，消除一些影響傳感器延遲的劣化效應，從而增強目標檢測敏捷性，縮短 ADAS 響應時(shí)間。

 

另外還存在“距離走動(dòng)”效應，在這種效應中，運行中的目標在啁啾序列中會(huì )跨越距離分辨單元，從而導致模糊的多普勒測量，降低檢測和跟蹤精確度。通過(guò)產(chǎn)生更快的啁啾頻率，可以抑制這些效應，但提高啁啾頻率需要更快的采樣率，目的是保持最大 FFT 探測距離。更高的采樣率會(huì )加大底層處理器的存儲帶寬的壓力，并需要更快的多普勒 FFT 處理能力，從而對板載存儲器容量產(chǎn)生了很大需求，另外還有其他一些不利因素。

 

虛擬天線(xiàn)陣列的 MIMO 波束成形對處理器性能提出了要求，從根本上需要高性能的處理平臺，擁有充足的存儲器、帶寬和信號處理能力，這樣才能實(shí)現上文所述的角度分辯率的提升。

 

雷達具有兩個(gè)主要功能模塊

射頻傳感器(射頻“前端”)

天線(xiàn)

信號產(chǎn)生和發(fā)射

信號接收和信號調節

模數采樣

 

計算(雷達 MCU)

將采樣信號轉換為頻率信息

識別“目標”

計算 1)距離，2)相對徑向速度，3)目標角度

高級功能，例如分類(lèi)和跟蹤

 

 

圖 5，雷達的功能模塊

 

雷達傳感器信號鏈引入的所有新自動(dòng)決策功能都會(huì )增加計算工作負載。隨著(zhù)汽車(chē)制造商部署功能更強大的雷達傳感器系統，以滿(mǎn)足日趨嚴格的全球安全標準，對算力的需求只會(huì )一路增加。例如，全球 NCAP 標準預期將在 2020 年制定和實(shí)施 針對高級雷達驅動(dòng)功能的嚴格安全等級要求。這些安全要求涉及到眾多功能，從十字路口自動(dòng)緊急制動(dòng)，遮擋物分類(lèi)， 到低光照條件下的行人檢測等等。

 

圖 6，自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知需求

 

在處理層，對基于雷達的主動(dòng)安全功能倚重日益增加，這就使得當今汽車(chē)雷達處理器的性能成為關(guān)注的焦點(diǎn)。對汽車(chē)雷達處理器性能的關(guān)注，揭示了不同競爭產(chǎn)品之間的關(guān)鍵架構差異。OEM 和一級供應商必須認識到這些差異，從而確保盡可能高效地利用所有可用的雷達處理能力，增強 ADAS 響應，最大程度上保護駕駛員和乘客的安全。

 

出眾的性能和卓越的性能功耗比

 

對于每種汽車(chē)傳感器應用而言，性能功耗比都是一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素。無(wú)論是燃油動(dòng)力，新能源，還是混動(dòng)考慮到雷達相關(guān)的 RF 功率輸出，受限的安裝位置，散熱出口，對于一個(gè)使用多個(gè)雷達發(fā)射器的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，熱管理的限制是十分明顯的。隨著(zhù)車(chē)載傳感器網(wǎng)絡(luò )的密度日益增加，系統設計師可用的氣流冷卻口減少，散熱和熱管理因素讓實(shí)現高性能功耗比變得更為嚴峻。

 

因此，在傳感器以?xún)?，僅通過(guò)簡(jiǎn)單地增加高功耗通用處理器內核數量，來(lái)滿(mǎn)足日益增加的雷達性能要求，并非明智的做法。雷達傳感器處理流要求開(kāi)發(fā)者對每瓦特性能指標，高性能功耗比，給予高度關(guān)注，而正是在這個(gè)領(lǐng)域，恩智浦在業(yè)內樹(shù)立了明顯優(yōu)勢。

 

作為車(chē)載毫米波雷達領(lǐng)域的技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)導者，恩智浦的高度集成式雷達處理器能為客戶(hù)提供可擴展的硬件和軟件兼容產(chǎn)品系列，如 S32R27 和 S32R37 雷達 MCU。這些器件集成了高效的專(zhuān)用硬件加速器，即恩智浦專(zhuān)有的雷達信號處理加速器(SPT)，與傳統 DSP（依據恩智浦基準測試和公開(kāi)發(fā)布的競爭產(chǎn)品信息）相比，每瓦特性能得到了顯著(zhù)改進(jìn)。另外，恩智浦雷達產(chǎn)品支持更遠的探測距離，更高的距離和角度分辨率和精度，這將顯著(zhù)提升基于雷達的主動(dòng)安全應用的性能，如防撞、變道輔助、自動(dòng)緊急制動(dòng)等。

 

恩智浦的 S32R27 和 S32R37 是基于 Power Architecture 的 32 位 MCU，其設計目的是通過(guò)提供獨特的信號處理加速，結合性能強大的多核架構，實(shí)現先進(jìn)的雷達信號處理功能，滿(mǎn)足新型波束成形和快速調頻調制雷達系統的高性能計算要求。

 

 

圖 7，恩智浦雷達器件的產(chǎn)品參數簡(jiǎn)介

 

恩智浦汽車(chē)雷達 MCU 目標應用

 

恩智浦 S32R27 和 S32R37——中 - 短距雷達，包括側視和車(chē)身環(huán)繞感知、變道 / 車(chē)道保持輔助(LCA、LKA)、盲點(diǎn)檢測(BSD)、后方交通穿行提示(RTCA)。

 

恩智浦 S32R27 的其他功能——長(cháng)距雷達，包括前向防撞預警、自適應巡航控制(ACC)、自動(dòng)緊急制動(dòng)(AEB)、行人保護。

 

恩智浦的 SPT 支持高性能雷達信號處理，采用性能強大的專(zhuān)用引擎，集成了信號處理功能，提供各種必需的硬件模塊， 可為工程師提供幫助，具有以下特性：

 

在編程的采集窗口中進(jìn)行 ADC 采樣

硬件加速，用于快速傅立葉變換(FFT)、直方圖統計、2D 峰值搜索、矢量運算 

用于信號處理操作的高級別命令

用于 DMA 數據傳輸的數據壓縮 / 解壓

CPU 中斷通道和看門(mén)狗

 

SPT 是高度優(yōu)化的雷達處理子系統的一部分，采用先進(jìn)的高性能主機總線(xiàn)和外設總線(xiàn)。系統總線(xiàn)主接口用于 SRAM 和 ORAM 之間的快速數據傳輸，而外設接口的用途則是設置配置、獲取狀態(tài)信息、SPT 基本控制、觸發(fā)中斷，提供出色的汽車(chē)雷達處理性能。SPT 可編程直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(PDMA)是支持數據流傳入和傳出 SPT 內核的關(guān)鍵要素。恩智浦非常重視汽車(chē)雷達應用領(lǐng)域，依托自身對系統的深入理解，為必要的方面進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)為客戶(hù)提供足夠的靈活性。

 

未來(lái)愿景

 

保障駕駛員、乘客和行人安全的措施事關(guān)重大，每一毫秒的汽車(chē)響應時(shí)間都極為關(guān)鍵。市場(chǎng)對更高分辨率雷達傳感器的需求日益增加，需要利用它們來(lái)實(shí)現先進(jìn)的汽車(chē)安全功能，由于性能要求，底層處理平臺必須在計算敏捷性和能效之間達到良好平衡。

 

恩智浦推出了全面的汽車(chē)雷達 MCU 產(chǎn)品組合，結合業(yè)界領(lǐng)先的 SPT 硬件加速功能，構建了可擴展、簡(jiǎn)化、高度集成的獨特解決方案，專(zhuān)為提高雷達分辨率和增強傳感器數據融合而設計，幫助打造下一代更安全、更智能的汽車(chē)。恩智浦將繼續銳意創(chuàng )新，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)利技術(shù)，跟上不斷發(fā)展的 L3 以上級別要求，讓一級供應商能夠構建性能出眾的雷達解決方案。